EN
Почему термостабильность критически важна для точности испытаний и выхода годной продукции
Как температурные изменения менее чем на один градус вызывают ложные сбои и дрейф измерений
В рамках одного цикла испытаний полупроводниковой пластины температурные колебания менее чем на 1 °C приводят к серьёзным проблемам. Такие колебания могут вызвать смещение пробных плат. При смещении пробных плат электрические контакты теряют точную соосность, в результате чего работоспособные чипы ошибочно отбраковываются. Одновременно измерительные приборы также подвержены дрейфу вследствие изменений теплового сопротивления и начинают выдавать некорректные показания (дрейф наконечника). Например, дрейф температуры на 0,5 °C приводит к изменению ширины запрещённой зоны кремния примерно на 0,3 %, что влечёт за собой некорректное измерение практически всех параметров, проверяемых в ходе испытаний. Из-за всех этих термических нестабильностей снижаются как процент прохождения испытаний, так и надёжность выпускаемой продукции. Поэтому производителям приходится инвестировать значительные средства в чрезвычайно точные системы термоконтроля, обеспечивающие стабильную температуру и предотвращающие серьёзные и дорогостоящие ошибки.
Эмпирические данные показали, что при поддержании стабильности температуры в пределах ±0,1 °C средний выход годных изделий при тестировании логических пластин диаметром 300 мм увеличивается на 2,3 %.
Исследования в отрасли показали, что существует корреляция между стабильностью температуры в помещении и уровнем производительности пластины. В прошлом году в журнале Semiconductor Testing Journal было отмечено, что на испытательных участках для логических пластин диаметром 300 мм выход годных изделий увеличился на 2,3 % при стабилизации температуры в пределах ±0,1 °C. Почему это происходит? Более узкие температурные диапазоны означают снижение количества ложноотрицательных результатов. По оценкам, повышение выхода годных пластин всего на 1 % позволяет восстановить продукцию стоимостью в миллионы долларов в условиях крупномасштабного производства. Именно поэтому компании используют в процессе изготовления полупроводников охладители с регулируемой температурой. Такие охладители способны устанавливать и поддерживать температуру с точностью до 1 °C и оказывают наиболее значимое влияние на контроль качества (QC) и финансовые показатели компании (P&L).
Преимущества первой инновации в области охладителей для полупроводников с регулируемой температурой
+/- 0,1 °C точность с функцией настройки ПИД-регулятора в реальном времени и обратной связью от двух датчиков
Во время испытаний с использованием полупроводников и аналогичных технологий колебания мощности могут приводить к получению ложных данных. По этой причине при испытаниях твёрдотельных устройств особое внимание уделяется стабильности температуры. Большинство испытательных сред используют систему обратной связи с двумя датчиками. Эта система включает датчик на входе и датчик на выходе. Кроме того, в испытательных средах применяются ПИД-регуляторы для выполнения корректировок в реальном времени. Данная технология в сочетании с собственными методами испытаний устраняет проблему тепловой инерции, которой инженеры тратят часы на устранение. Высокая точность ПИД-регулятора обеспечивает стабильность температур даже при резких изменениях функциональности испытательного оборудования. Одна треть погрешности измерений при испытаниях, выраженная как дрейф показаний, обусловлена повышенной точностью системы обратной связи с двумя датчиками по сравнению со старыми системами. Помимо повышения точности испытаний, системы обратной связи по датчикам и компенсации тепловой инерции увеличивают срок службы и функциональность испытательного оборудования за счёт снижения числа циклов работы его компрессоров. Большинство инженеров знают, что срок службы испытательного стенда резко сокращается из-за температурных всплесков, возникающих при циклическом включении и выключении компрессоров.
Улучшение результатов и повышение долговечности инструментов — вот главная цель данной конфигурации.
Чтобы предотвратить взаимное влияние испытательных станций из-за нежелательного теплового воздействия, мы применяем многоканальную тепловую изоляцию.
При массовом тестировании пластин используется параллельное тестирование. Однако тепловое перекрёстное влияние между отдельными испытательными боксами может привести к получению неточных результатов. Многоканальная тепловая изоляция предназначена для устранения такого влияния за счёт обеспечения каждой испытательной зоне собственных насосов, теплообменников и регуляторов потока. Благодаря этому температурные колебания на каждой испытательной станции поддерживаются на одном заданном уровне и не подвержены тепловому перекрёстному влиянию.
Стратегия изоляции: температурные колебания и их влияние на выход годных изделий
Один контур > 1,0 °C; потеря 3–5 %
Многоканальный < 0,05 °C; прирост 1,2 %
Исследование, посвящённое тепловому управлению в полупроводниковых устройствах и проведённое в 2023 году, показало, что применение изолированных каналов теплового управления при многосайтовом тестировании на испытательных участках позволило сократить количество ложных сбоев на 19 %. Кроме того, конструкция изолированных каналов теплового управления предотвращает взаимные помехи и упрощает техническое обслуживание, поскольку каждый канал теплового управления может обслуживаться отдельно без остановки всего производственного процесса.
Холодильные агрегаты с температурным контролем на основе полупроводниковых элементов должны обладать высоким уровнем надёжности конструкции, чтобы избежать единичных точек отказа, способных вывести систему из строя в ходе испытаний. В отрасли наблюдается тенденция к использованию двух насосов и двух компрессоров: если основной компонент выходит из строя, в работу включается резервный, предотвращая нежелательные колебания температуры. Кроме того, прогнозирующее техническое обслуживание становится стандартом для холодильных агрегатов. Они способны анализировать вибрацию и поток рабочих жидкостей и выявлять потенциальные неисправности до их возникновения. Некоторые полупроводниковые фабрики сообщают о снижении объёма незапланированных простоев на 30 % благодаря такому мониторингу. Более того, стабильное рабочее состояние критически важно для прогнозирующего технического обслуживания холодильных агрегатов. Для поддержания температуры с точностью до одной десятой градуса Цельсия в них применяются специальные регулирующие клапаны, а также возможна динамическая корректировка параметров ПИД-регулирования в реальном времени для обеспечения быстрой реакции на изменение нагрузки. Множество встроенных защитных мер действительно продлевают срок службы оборудования и сводят к минимуму негативное влияние ложноотрицательных результатов диагностики на производственные циклы, как это зафиксировано в отраслевых отчётах по состоянию оборудования.
Полупроводниковые холодильные агрегаты с температурным контролем и влияние снижения теплового напряжения на срок службы оборудования
Деградация пробных платок снижена на 37 % (медиана)
Испытания кремниевых пластин сопровождаются быстрыми и резкими изменениями температуры, что приводит к термическому циклическому усталостному повреждению пробных плат и быстрому механическому разрушению зондов. Однако при использовании в сочетании с механическими холодильными установками, специально предназначенными для полупроводниковых устройств, снижаются проблемы, связанные с термическими циклами и механическим разрушением паяных соединений, усталостными повреждениями и трещинами в зондах и проводах. Срок службы компонентов обычно указывается производителем; в вашем случае средний срок службы компонентов увеличивается на 100 % при снижении рабочей температуры на 10 °C. Что касается пробных плат, их эксплуатационный срок значительно превышает периодичность их замены. Холодильные установки, обеспечивающие термическую стабильность в пределах ±0,1 °C, позволяют получить окупаемость инвестиций за счёт увеличения эксплуатационного срока пробных плат. Увеличение эксплуатационного срока испытательного оборудования вследствие снижения термического циклического усталостного воздействия подтверждено данными полевых испытаний на крупных логических испытательных площадках с высоким объёмом производства. При использовании соответствующего оборудования эксплуатационный срок испытательного оборудования может быть увеличен на 37 %. Кроме того, снижение термического циклического усталостного воздействия приводит к необходимости менее частой калибровки оборудования, что обеспечивает более стабильную и предсказуемую его эксплуатацию.
Часто задаваемые вопросы
Какое влияние оказывает термостабильность на оценку полупроводниковых изделий?
При оценке полупроводниковых изделий термостабильность имеет решающее значение, поскольку она обеспечивает правильное позиционирование электрических контактов, получение стабильных измерительных значений и предотвращает отбраковку исправных кристаллов как дефектных.
Какое влияние оказывает точность поддержания температуры на выход годных пластин (wafer yields)?
Повышение точности контроля температуры, особенно в диапазоне ±0,1 °C, является одним из наиболее важных факторов повышения выхода годных пластин, поскольку это устраняет опасения, связанные с дрейфом измерений и ложно-негативными результатами. Сообщается, что повышение выхода годных пластин для логических пластин диаметром 300 мм достигло 2,3 %.
Какова цель резервирования в холодильных установках с регулируемой температурой?
В чиллерах избыточность позволяет обеспечить непрерывную работу за счёт резервных систем, таких как два насоса и два компрессора. Это снижает вероятность резких изменений температуры, вызванных отказами системы.